Современная визуализация чайника из Юты, культовой модели в 3D-компьютерной графике, созданной Мартином Ньюэллом в 1975 году.
Компьютерная графика — это подраздел компьютерной науки, изучающий методы цифрового синтеза и обработки визуального контента. Хотя этот термин часто относится к изучению трехмерной компьютерной графики, он также охватывает двухмерную графику и обработку изображений.
Обзор
Компьютерная графика изучает манипуляцию визуальной и геометрической информацией с использованием вычислительных методов. Она фокусируется на математических и вычислительных основах создания и обработки изображений, а не на чисто эстетических вопросах. Компьютерную графику часто отделяют от области визуализации , хотя эти две области имеют много общего.
Существует несколько международных конференций и журналов, где публикуются наиболее значимые результаты в области компьютерной графики. Среди них конференции SIGGRAPH и Eurographics , а также журнал Association for Computing Machinery (ACM) Transactions on Graphics. Совместная серия симпозиумов Eurographics и ACM SIGGRAPH представляет основные площадки для более специализированных подотраслей: Симпозиум по обработке геометрии [1], Симпозиум по рендерингу, Симпозиум по компьютерной анимации [2] и Высокопроизводительная графика [3] .
Как и в остальной части компьютерной науки, публикации на конференциях по компьютерной графике, как правило, более значимы, чем публикации в журналах (и, следовательно, имеют более низкие показатели принятия). [4] [5] [6] [7]
Подполя
Широкая классификация основных направлений компьютерной графики может быть следующей:
Геометрия : способы представления и обработки поверхностей
Анимация : способы представления и управления движением
Последовательные приближения поверхности, вычисленные с использованием квадратичных метрик ошибок
Подраздел геометрии изучает представление трехмерных объектов в дискретной цифровой обстановке. Поскольку внешний вид объекта во многом зависит от его внешнего вида, чаще всего используются граничные представления . Двумерные поверхности являются хорошим представлением для большинства объектов, хотя они могут быть не- многообразными . Поскольку поверхности не являются конечными, используются дискретные цифровые приближения. Полигональные сетки (и в меньшей степени поверхности подразделения ) являются наиболее распространенным представлением, хотя точечные представления стали более популярными в последнее время (см., например, Симпозиум по точечной графике). [8] Эти представления являются лагранжевыми, что означает, что пространственное расположение образцов независимо. Недавно описания эйлеровых поверхностей (т. е. где пространственные образцы фиксированы), такие как множества уровней , были разработаны в полезное представление для деформирующих поверхностей, которые претерпевают множество топологических изменений (при этом жидкости являются наиболее ярким примером). [9]
Подразделы геометрии включают в себя:
Неявное моделирование поверхностей — более старая область, изучающая использование алгебраических поверхностей, конструктивной стереометрии и т. д. для представления поверхностей.
Цифровая обработка геометрии – реконструкция поверхности , упрощение, сглаживание, восстановление сетки, параметризация , перестроение сетки, генерация сетки , сжатие поверхности и редактирование поверхности – все это подпадает под этот заголовок. [10] [11] [12]
Дискретная дифференциальная геометрия – зарождающаяся область, которая определяет геометрические величины для дискретных поверхностей, используемых в компьютерной графике. [13]
Точечная графика — новая область, которая фокусируется на точках как на фундаментальном представлении поверхностей.
Обработка сеток вне ядра — еще одно новое направление, которое фокусируется на наборах данных сеток, которые не помещаются в основную память.
Анимация
Подотрасль анимации изучает описания поверхностей (и других явлений), которые движутся или деформируются с течением времени. Исторически большинство работ в этой области были сосредоточены на параметрических и управляемых данными моделях, но в последнее время физическое моделирование стало более популярным, поскольку компьютеры стали более мощными в вычислительном отношении.
Рендеринг генерирует изображения из модели. Рендеринг может имитировать перенос света для создания реалистичных изображений или может создавать изображения, имеющие определенный художественный стиль в нефотореалистичном рендеринге . Две основные операции в реалистичном рендеринге — это перенос (сколько света проходит из одного места в другое) и рассеивание (как поверхности взаимодействуют со светом). Для получения дополнительной информации см. Рендеринг (компьютерная графика) .
Подполя рендеринга включают в себя:
Транспорт описывает, как освещение в сцене попадает из одного места в другое. Видимость является основным компонентом светового транспорта.
Рассеивание: Модели рассеяния (как свет взаимодействует с поверхностью в заданной точке ) и затенения (как свойства материала изменяются по поверхности) используются для описания внешнего вида поверхности. В графике эти проблемы часто изучаются в контексте рендеринга, поскольку они могут существенно влиять на разработку алгоритмов рендеринга . Описания рассеяния обычно даются в терминах функции распределения двунаправленного рассеяния (BSDF). Последняя проблема касается того, как различные типы рассеяния распределяются по поверхности (т. е. какая функция рассеяния применяется где). Описания такого рода обычно выражаются с помощью программы, называемой шейдером . (Существует некоторая путаница, поскольку слово «шейдер» иногда используется для программ, которые описывают локальные геометрические вариации.)
